[論文レビュー] Optical Cluster-State Generation without Number-Resolving Photon Detectors

Mark M. Wilde, Federico M. Spedalieri+2 more|arXiv (Cornell University)|Oct 16, 2006

Quantum Information and Cryptography被引用数 1

ひとこと要約

本稿では、数を解像しない光子検出器を用いて、偏光符号化光子と内在的な誤り訂正機構を活用することで、線形光量子計算のための制御位相ゲートを提示する。4量子ビットのアーキテクチャ状態をベル状態から事前に生成することで、成功確率1/4を達成し、検出器の暗電流率が低い限り、数を解像しない検出器がなくても多項式オーバーヘッドで信頼性の高い光学クラスタ状態の生成が可能になる。

ABSTRACT

We show how to build a controlled-phase gate for linear optical quantum computing by using photon detectors that cannot resolve photon number. Our scheme uses polarization encoding of photons and includes an intrinsic error-correction circuit which can correct for errors introduced by the detectors. We generate a four-qubit ancilla state offline given a source of pure polarization-entangled Bell states. We use the four-qubit ancilla state in the operation of our controlled-phase gate for a success probability of 1/4. A recent result [1, 2] claims that a two-qubit gate with non-zero success probability can build an arbitrarily large cluster state with only polynomial overhead. Thus we can reliably generate optical cluster states without number-resolving detectors and with polynomial overhead if the dark count probability of the detectors is low.

研究の動機と目的

• 数を解像しない光子検出器を必要としない線形光量子計算のための制御位相ゲートの開発を目的とする。
• 光子数解像度が限られた標準的な光検出器のみを用いて、大規模な光学クラスタ状態を生成することを目的とする。
• 検出器に起因する誤りを補正する内在的な誤り訂正を組み込むことを目的とする。
• ベル状態から事前に準備した4量子ビットのアーキテクチャ状態を用いて、実現可能な成功確率1/4を達成することを目的とする。
• 暗電流率が低い条件下で、多項式オーバーヘッドで十分に信頼性のあるクラスタ状態生成が可能であることを示すこと

提案手法

• 量子ビットを偏光符号化光子で符号化することで、検出における数の解像度を回避する。
• 純粋な偏光もつれベル状態から事前に準備した4量子ビットのアーキテクチャ状態を用いて、制御位相ゲートを媒介する。
• 数を解像しない検出器に起因する誤りを補正する内在的な誤り訂正回路を統合する。
• アーキテクチャ状態を用いたプロトコルにより、制御位相ゲートの操作で成功確率1/4を達成する。
• 最近の理論的結果に従い、非ゼロの成功確率を持つ任意の2量子ビットゲートが、多項式オーバーヘッドで任意に大きなクラスタ状態を生成可能であることを基盤とする。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 数を解像しない光子検出器を必要とせずに、線形光量子計算における制御位相ゲートを実装できるか？
• RQ2 光子数解像度が欠如している状況で、検出器に起因する誤りはどのように補正できるか？
• RQ3 数を解像しない検出器とアーキテクチャ状態を用いた場合、2量子ビットゲートの達成可能な成功確率は何か？
• RQ4 検出器が数を解像しない場合でも、多項式オーバーヘッドで大規模な光学クラスタ状態を生成できるか？
• RQ5 検出器の暗電流確率が、このようなスキームのスケーラビリティに果たす役割は何か？

主な発見

• 提案された制御位相ゲートは、4量子ビットのアーキテクチャ状態と数を解像しない検出器を用いて、成功確率1/4を達成する。
• 本スキームは、検出器が光子数を解像できないことに起因する誤りを補正する内在的な誤り訂正を組み込んでいる。
• 偏光符号化光子の使用により、複雑な検出方式を必要とせず、ゲート操作が可能になる。
• 最近の理論的結果に基づき、多項式オーバーヘッドで信頼性のある光学クラスタ状態の生成が可能である。
• 検出器の暗電流確率が低い場合、現実的な条件下で耐故障動作が可能となるため、スケーラビリティは実現可能である。